由于在電力系統(tǒng)中可再生能源占比較高、電網(wǎng)穩(wěn)定性較差，英國出臺了快速頻率響應(yīng)服務(wù)，在2023年12月的低頻率事件中，電化學(xué)儲能作為快速頻率響應(yīng)主體發(fā)揮了巨大作用。目前，我國可再生能源占比不高、省間交流電網(wǎng)穩(wěn)定性強，且一次調(diào)頻具備快速響應(yīng)能力，暫不需要快速頻率響應(yīng)服務(wù)，對電化學(xué)儲能的快速調(diào)節(jié)需求也不強烈，我國應(yīng)正確引導(dǎo)電化學(xué)儲能的投資，積極穩(wěn)妥地發(fā)展電化學(xué)儲能。
國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)
隨著可再生能源的發(fā)展，電力系統(tǒng)對輔助服務(wù)的需求出現(xiàn)較大變化，2024～2025財年，英國新出臺的三類快速頻率響應(yīng)服務(wù)將徹底取代固定頻率響應(yīng)服務(wù)。目前，我國的調(diào)頻輔助服務(wù)需求暫未受到較大影響，但未來我國或?qū)⒚媾R與英國相似的情況，需要出臺快速頻率響應(yīng)服務(wù)來保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
英國快速頻率響應(yīng)服務(wù)出臺背景
2019年8月9日，英國790兆瓦的海上風(fēng)電和660兆瓦的燃?xì)獍l(fā)電斷電，導(dǎo)致頻率降至49.2赫茲以下，隨后由于頻率響應(yīng)容量已耗盡，頻率降至48.8赫茲以下，觸發(fā)低頻減載，系統(tǒng)頻率在經(jīng)過10分鐘后才恢復(fù)至50赫茲。當(dāng)時，英國主要頻率響應(yīng)服務(wù)為固定頻率響應(yīng)，分為動態(tài)和靜態(tài)固定頻率響應(yīng)，其中較快速的動態(tài)固定頻率響應(yīng)的時間要求在10秒內(nèi)，無法滿足英國電力系統(tǒng)對頻率響應(yīng)服務(wù)的需求，故英國需要研究出臺新的快速頻率響應(yīng)服務(wù)。
國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)運行工況
由于可再生能源屬于非同步電機，在無功能力、故障電流及機械慣量等方面較同步電機存在明顯不足，其較高的發(fā)電量占比將導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量缺失，尤其是在風(fēng)電大發(fā)的冬季。在系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較低的情況下，各類電力系統(tǒng)擾動均可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)超出安全閾值的大幅度波動，威脅系統(tǒng)運行安全。
2023年，英國能源結(jié)構(gòu)中可再生能源發(fā)電量占43%，化石能源發(fā)電量僅占33%，核能發(fā)電量占比13%。分時來講，2023年1月4日，英國達(dá)到了零碳能源(可再生能源和核能)發(fā)電量最高紀(jì)錄，為87.6%。同時，英國與歐洲其他國家的電網(wǎng)僅通過直流電網(wǎng)聯(lián)接，交流電網(wǎng)僅限于國內(nèi)，電網(wǎng)規(guī)模較小，較小的擾動可能導(dǎo)致電網(wǎng)事故，進(jìn)而發(fā)展成為全網(wǎng)大停電事故，電網(wǎng)穩(wěn)定性相對較弱。
對比來看，我國可再生能源占比相對較低，2023年前三季度，全國可再生能源發(fā)電量僅占全部發(fā)電量的31.3%。雖然我國部分省份可再生能源發(fā)電量占比較高，如2022年，青?？稍偕茉窗l(fā)電量占比84.5%，但由于我國各省間均為交流電網(wǎng)聯(lián)接，能夠保持網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機同步運行，從而降低了擾動對系統(tǒng)的影響，且交流電網(wǎng)具備較強緊急功率支援的能力，這又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)供電可靠性和安全穩(wěn)定水平。
國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)品種對比
目前，英國主要應(yīng)用的頻率響應(yīng)服務(wù)包括快速頻率響應(yīng)服務(wù)和強制頻率響應(yīng)服務(wù)。英國新出臺的快速頻率響應(yīng)服務(wù)主要包括三種服務(wù)：2020年10月出臺的動態(tài)遏制服務(wù)，2022年4月出臺的動態(tài)穩(wěn)定服務(wù)和動態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)，三者均通過日前拍賣進(jìn)行交易，調(diào)度按照拍賣價格提前確定動作機組，在頻率波動時通過自動化控制調(diào)用選定機組，這三種服務(wù)起始時間分別為0.5秒、0.5秒、1秒。英國的強制頻率響應(yīng)服務(wù)為自動有功功率輸出響應(yīng)，所有大型電廠均有義務(wù)提供強制頻率響應(yīng)，其響應(yīng)時間最快為頻率波動后10秒，遠(yuǎn)慢于快速頻率響應(yīng)。
我國調(diào)頻輔助服務(wù)分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，與英國的品種設(shè)置有較大不同。一次調(diào)頻為秒級響應(yīng)的快速頻率控制品種，機組一次調(diào)頻滯后時間不應(yīng)大于2秒，達(dá)到75%目標(biāo)功率時間不應(yīng)大于15秒，且為非市場化的自動頻率響應(yīng)輔助服務(wù)，要求電源均應(yīng)具備滿足規(guī)定的一次調(diào)頻能力;根據(jù)電力系統(tǒng)運行情況需要自動調(diào)用，僅在有償一次調(diào)頻范圍內(nèi)按照規(guī)定價格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補償。二次調(diào)頻服務(wù)是我國頻率控制的分鐘級持續(xù)響應(yīng)品種，其中以自動電壓控制(AGC)為主要交易品種，其通過在市場中報價、出清、結(jié)算的方式進(jìn)行交易，機組中標(biāo)后才會進(jìn)行二次調(diào)頻響應(yīng)。
國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)發(fā)展
我國電力系統(tǒng)相較于英國，由于可再生能源占比整體較低，且全國性的交流聯(lián)網(wǎng)保障了系統(tǒng)內(nèi)的緊急支援能力和抗擾動能力，因此，我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯強于英國。目前，英國為防止再次出現(xiàn)重大事故，已應(yīng)用快速頻率響應(yīng)服務(wù)作為應(yīng)急事故快速處理機制，以保障系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。我國電力系統(tǒng)較為穩(wěn)定，且我國強制性的一次調(diào)頻服務(wù)響應(yīng)速度較快、動作幅度較大，能夠在頻率變化時及時進(jìn)行響應(yīng)并穩(wěn)定頻率，故我國暫不需要快速頻率響應(yīng)服務(wù)。
隨著可再生能源加速發(fā)展，我國電力系統(tǒng)和電力供應(yīng)的穩(wěn)定性將持續(xù)降低。一方面，可再生能源功率的隨機性和波動性將導(dǎo)致電力和電量的時空分布與用電負(fù)荷特性呈現(xiàn)明顯錯配;另一方面，可再生能源的大規(guī)模接入將導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低、調(diào)頻能力下降。當(dāng)我國新能源發(fā)電量占比整體達(dá)到較高水平后，我國或?qū)⑿枰焖兕l率控制服務(wù)，保障系統(tǒng)頻率在出現(xiàn)波動時及時得到控制，穩(wěn)定電力系統(tǒng)運行。
不同調(diào)節(jié)資源在頻率響應(yīng)中的定位
在英國出現(xiàn)的低頻率響應(yīng)事件中，電化學(xué)儲能在快速頻率響應(yīng)服務(wù)中抑制了頻率的繼續(xù)下滑，抽水蓄能在后續(xù)的持續(xù)響應(yīng)中將頻率穩(wěn)定至安全區(qū)間。英國電網(wǎng)的調(diào)度方式反映了各類調(diào)節(jié)資源在頻率響應(yīng)中的定位和時序。
英國低頻率快速響應(yīng)事件
2023年12月22日，法國和英國之間的一根聯(lián)絡(luò)線(IFA2)于13:09跳閘，導(dǎo)致流入電網(wǎng)的電力突然短缺，且由于跳閘時風(fēng)力發(fā)電量超過14吉瓦，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較低，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率驟降至49.3赫茲，比法定安全限值的49.5赫茲低0.2赫茲，所有頻率響應(yīng)服務(wù)均全力啟動。
隨著電網(wǎng)頻率降至49.5赫茲以下，電化學(xué)儲能首先作出快速響應(yīng)，遏制頻率的下滑。低頻快速響應(yīng)服務(wù)中簽約的所有電化學(xué)儲能容量在10秒內(nèi)作出全功率響應(yīng)，輸出量最高達(dá)到1226兆瓦，在最短時間內(nèi)遏制系統(tǒng)頻率的下降，并在后續(xù)持續(xù)全功率輸出5分鐘，將頻率提升至安全限值內(nèi)。
在儲能作出快速響應(yīng)后觸發(fā)系統(tǒng)平衡機制，抽水蓄能電站在兩分鐘內(nèi)輸出650兆瓦電力，為系統(tǒng)提供了更持久的響應(yīng)。盡管平衡機制中有超過1吉瓦的儲能容量，但由于平衡機制調(diào)用儲能所需指令較多、響應(yīng)時間較長，故平衡機制中沒有調(diào)度任何電池容量。
電化學(xué)儲能應(yīng)定位于快速頻率響應(yīng)
在本次事件中，電化學(xué)儲能作為調(diào)用最為快捷的市場主體，在頻率出現(xiàn)大幅降低時，快速響應(yīng)頻率控制指令，短時間內(nèi)達(dá)到滿功率輸出，及時遏制頻率大幅波動，為后續(xù)其他主體和電源的動作爭取了時間。由于電化學(xué)儲能具備快速響應(yīng)但容量有限的特征，使其成為英國快速頻率響應(yīng)服務(wù)的主要參與主體之一，也是滿足英國動態(tài)遏制服務(wù)的主要電源。同時電化學(xué)儲能在英國調(diào)頻輔助服務(wù)市場中獲得了較高的收入，并將頻率響應(yīng)服務(wù)作為項目的主要收入來源，100兆瓦×1小時的電化學(xué)儲能項目在頻率響應(yīng)市場中年利潤接近1000萬英鎊，具有較強的市場競爭力。
目前，我國調(diào)頻輔助服務(wù)中暫無快速頻率響應(yīng)服務(wù)，且系統(tǒng)在短期內(nèi)沒有類似市場化服務(wù)的需求，而儲能響應(yīng)快速但容量有限的特點導(dǎo)致其更適合參與價格較高的快速頻率響應(yīng)服務(wù)。我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，電力供給也基本充裕，在不考慮可再生能源消納率指標(biāo)的情況下，儲能作為快速調(diào)節(jié)電源并非市場中的“必需品”。目前，我國儲能主要參與調(diào)峰、二次頻率響應(yīng)或現(xiàn)貨市場套利，但由于輔助服務(wù)價格較低，且現(xiàn)貨市場的較低上限價格導(dǎo)致峰谷價差較小，儲能在市場中盈利能力較弱。隨著可再生能源的占比增加，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸減弱，儲能將在不遠(yuǎn)的將來成為電力系統(tǒng)最有效的頻率調(diào)節(jié)電源，其應(yīng)該定位于價格較高的快速頻率響應(yīng)服務(wù)，在故障發(fā)生的1～2秒內(nèi)為系統(tǒng)提供及時的頻率穩(wěn)定服務(wù)，在保證儲能盈利能力的同時，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
抽水蓄能應(yīng)定位于持續(xù)頻率穩(wěn)定響應(yīng)服務(wù)
在英國這次事件中，電化學(xué)儲能完成快速頻率響應(yīng)后，英國電力運營公司在平衡機制中選擇不使用33個在機制中申報的超過1吉瓦的電化學(xué)儲能，而選擇調(diào)度抽水蓄能電站，在2分鐘內(nèi)輸出650兆瓦的電力，為系統(tǒng)提供更持久的頻率穩(wěn)定響應(yīng)。這主要是由于電力運營公司在平衡機制中創(chuàng)建和發(fā)布指令均需要時間，而抽水蓄能電站單個規(guī)模較大，單指令可響應(yīng)的容量遠(yuǎn)大于電化學(xué)儲能。在前期快速頻率響應(yīng)服務(wù)已將頻率控制在安全范圍內(nèi)后，電化學(xué)儲能的快速響應(yīng)能力不再具備較高價值，而抽水蓄能電站較低的程序成本和響應(yīng)成本能夠更好地適應(yīng)平衡機制，進(jìn)一步穩(wěn)定頻率。
二次調(diào)頻服務(wù)是我國頻率控制的持續(xù)響應(yīng)服務(wù)，其響應(yīng)時間以分鐘級為主，而AGC是二次調(diào)頻的主要方式。抽水蓄能電站具有啟停速度快、工況轉(zhuǎn)換迅速，以及機組出力變換范圍大等優(yōu)點，其從停機到滿載僅需2～3分鐘，且負(fù)荷跟蹤性能遠(yuǎn)比火電、核電機組優(yōu)越，能迅速調(diào)整出力以消除系統(tǒng)功率的不平衡量，適宜承擔(dān)頻繁啟停調(diào)頻任務(wù)，應(yīng)在我國電力市場中定位于作為后續(xù)頻率響應(yīng)的二次調(diào)頻服務(wù)。
我國電化學(xué)儲能發(fā)展建議
我國與英國電力系統(tǒng)所處階段不同，對比英國電化學(xué)儲能的應(yīng)用，我國應(yīng)針對目前電力系統(tǒng)發(fā)展情況，在適當(dāng)?shù)臅r間、以適當(dāng)?shù)姆绞綄﹄娀瘜W(xué)儲能進(jìn)行投資，保證行業(yè)的健康發(fā)展，使電化學(xué)儲能在電力系統(tǒng)中作用最大化。
未雨綢繆，避免可再生能源發(fā)展威脅系統(tǒng)運行安全
由于英國可再生能源占比較高，火電等傳統(tǒng)電源占比較低，且為實現(xiàn)零碳電網(wǎng)持續(xù)建設(shè)可再生能源、淘汰傳統(tǒng)電源，導(dǎo)致發(fā)電不穩(wěn)定、無轉(zhuǎn)動慣量的可再生能源對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響持續(xù)增大，引發(fā)類似2019年8月及2023年12月的電網(wǎng)低頻事故，故英國出臺了快速頻率響應(yīng)以應(yīng)對可再生能源發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來的安全隱患。目前，我國各省以交流聯(lián)網(wǎng)保障省間互濟(jì)，電力系統(tǒng)暫時較為穩(wěn)定，但隨著可再生能源的快速發(fā)展，電力供應(yīng)波動和頻率波動將更為顯著，超過省間互濟(jì)的能力范圍，屆時我國也可能存在系統(tǒng)安全問題，需要快速頻率響應(yīng)服務(wù)來保障系統(tǒng)運行。
明確電化學(xué)儲能在電力系統(tǒng)中的定位
目前，我國電網(wǎng)穩(wěn)定性較強且傳統(tǒng)火電機組均具備快速一次調(diào)頻能力，在我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面對電化學(xué)儲能的需求暫時并不強烈，目前，電化學(xué)儲能主要用于滿足可再生能源的消納率要求。但電化學(xué)儲能在響應(yīng)速度上較其他電源具備較大的比較優(yōu)勢，可以在頻率發(fā)生波動的1～2秒內(nèi)作出響應(yīng)，及時遏制頻率的大幅波動，并將頻率穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，所以電化學(xué)儲能作為快速響應(yīng)電源，應(yīng)明確定位于快速頻率響應(yīng)服務(wù)的細(xì)分賽道。
正確引導(dǎo)電化學(xué)儲能投資和發(fā)展
目前，我國電化學(xué)儲能發(fā)展存在一定問題，亟需頂層設(shè)計引導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展。一方面，存在將電化學(xué)儲能打造為“全能型選手”的誤區(qū)。電力系統(tǒng)是一個協(xié)調(diào)運作的整體，各類市場主體應(yīng)充分發(fā)揮自身的比較優(yōu)勢，與其他主體協(xié)調(diào)完成運行，不應(yīng)要求電化學(xué)儲能匹配多維度的系統(tǒng)需求，這將顯著增加電化學(xué)儲能的建設(shè)成本，在其目前盈利能力不強的情況下，可能造成對政策補貼的依賴。另一方面，存在“一哄而上”大力投資電化學(xué)儲能的現(xiàn)象。目前，電化學(xué)儲能市場化需求不強烈、盈利模式不明確、造價較為昂貴，故應(yīng)充分考慮投資回報率，在技術(shù)、市場等因素成熟后再進(jìn)行投資。
隨著我國電力市場化改革的推進(jìn)，各類傳統(tǒng)市場主體在電力系統(tǒng)中的定位逐漸明確，但作為新型調(diào)節(jié)電源的電化學(xué)儲能尚未明確系統(tǒng)定位。我國應(yīng)借鑒國外電力市場經(jīng)驗，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)體系及新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)一步明確各類新型主體在系統(tǒng)中的作用，促進(jìn)電化學(xué)儲能等新型主體健康發(fā)展，在積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和的同時，提高能源資源安全保障能力。
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